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¿Cómo demonios funciona el KERS (II)?




Un Fórmula 1 con volante, pero sin KERS (flickr de emergency111, cc-by)

Recientemente publicamos un artículo en que se repasaba el principio físico en el que se basaban los KERS de los Fórmula 1.

Alguno de los contertulios nos recordaba que algunos equipos, en vez de usar un KERS basado en la acumulación de energía eléctrica, usaban uno basado en el volante de inercia, así que vamos a dedicarle unas líneas.

Si no tienes fresco aquel artículo, quizá deberías releerlo.

Volante de inercia

Un volante de inercia es básicamente… una piedra grande girando.

Imagina que tomamos una piedra de 1000 kg con forma de moneda o de donut, y la atravesamos con un clavo justo en el centro. Luego empezamos a girarla, hasta que llegue a 100 rpm… Obviamente, nos costará un montón conseguir que vaya tomando velocidad, pero, una vez que la tome, seguirá girando simplemente por inercia. Tampoco hemos inventado nada, claro, es básicamente una peonza, pero muy grande.

¿Qué principio físico está actuando? No es más que el viejo principio de la inercia: todo cuerpo mantiene su velocidad a menos que se aplique sobre él una fuerza. Bueno… más o menos. La diferencia aquí es que… ¿cuál es el cuerpo ese que mantiene su velocidad? La piedra está girando sobre sí misma, pero no va a ningún sitio… ¿qué velocidad es la que mantiene?

Para estudiarlo nos olvidamos de la velocidad lineal del cuerpo y nos “inventamos” su velocidad angular, que es la rapidez con que gira sobre sí mismo. La velocidad angular se mide habitualmente en radianes-por-segundo (rad/s) o en herzios (Hz, 1/s, vueltas-por-segundo), aunque también se usan mucho las revoluciones-por-minuto (vueltas/minuto).[1]

La gracia es que esta velocidad angular tiene unas propiedades muy, pero muy parecidas a la velocidad lineal de toda la vida. Por ejemplo, podemos incrementarla o decrementarla (aceleración angular… es decir, podemos hacer que gire más rápido o más despacio). En lo que a este artículo respecta, tiene una propiedad interesante: a menos que haya una fuerza angular que se aplique sobre el cuerpo, su velocidad angular se conserva.[2]

Esta forma simplificada será la que usemos, pero antes quiero dedicar unas líneas a contar por qué esto tiene sentido físico, en virtud del primer principio de la mecánica.

Lo que dice el primer principio de la mecánica es que lo que se conserva es la velocidad lineal,[3] a menos que haya una fuerza sobre él. Si no tienes fresco el principio de inercia, debería ir a leer ese artículo de El Tamiz antes de seguir. ¿Cómo convertimos esa idea en la conservación de la velocidad angular?

Para ello lo que debemos hacer es fijarnos en las partículas minúsculas que conforman nuestra piedra giratoria. Vamos a fijarnos de momento en las del borde, que es más fácil de ver. En un momento dado, cada una de ellas está moviéndose, linealmente, a una velocidad determinada. Linealmente, hacia adelante. Lo que dice el primer principio es que va a seguir moviéndose hacia adelante a menos que haya una fuerza aplicada sobre ella… ¿será acaso que hay una fuerza?

Pues sí, la hay. ¿Te has preguntado alguna vez por qué los cuerpos mantienen su cohesión? ¿Por qué decimos que un sólido es… sólido? ¿Qué significa eso en términos atómicos?

Lo que significa es que los electrones y protones de sus átomos están atrayéndose entre sí (formando átomos), y que los protones de un átomo y los electrones de otro se están atrayendo entre sí (formando moléculas). Y eso a lo largo de todo el sólido. Cuando un cuerpo es sólido, lo que ocurre es que la atracción entre los electrones de algunos de sus átomos y los protones de otros de sus átomos es muy fuerte, impidiendo que se alejen.[4]

Vuelve a leerlo. Sí que hay una fuerza que afecta a cada una de las partículas del borde: la misma que mantiene cohesionado al sólido completo. Es una fuerza electromagnética.

La gracia es que, si estamos hablando de un sólido, la fuerza es netamente de atracción hacia las demás partículas del cuerpo; es decir, hacia el centro del cuerpo (si no fuera así, el cuerpo se disgregaría, y no estaríamos hablando de un cuerpo unido y sólido). Habrá algunos enlaces que atraigan hacia el centro, otros hacia un lado, otros incluso se repelerán… pero en suma, el efecto será hacia adentro.[5]

 

De este modo, cada partícula del borde tiende a seguir recto, escapándose del cuerpo, mientras que la atracción tiende a acercarla al centro… y el movimiento acaba manteniéndose circular. Además, dado que la fuerza es perpendicular al movimiento, cambia la dirección de dicho movimiento, pero no cambia su magnitud… es decir, su rapidez se conserva.

Podemos deducir entonces que la conservación del momento angular no es más que la combinación de la conservación del momento lineal más la fuerza electromagnética que mantiene cohesionado al cuerpo (o la gravitatoria, en cuerpos muy grandes). Para obtener valores numéricos hay que tener en cuenta densidades y distancias, pero vaya, para una aproximación cualitativa, ya nos vale.

Bien, pues ya hemos descubierto qué es un volante de inercia. Ahora simplemente tenemos que hacer lo siguiente:

Al empezar, el volante de inercia está parado, y las ruedas girando.

Cuando queremos frenar conectamos las ruedas del coche al volante de inercia, usando algún tipo de embrague. Como la rueda está girando mucho más rápido que el volante de inercia, se transfiere energía cinética de la rueda girando hacia el volante, frenando al coche.

Cuando queremos dejar de frenar, separamos el embrague, de modo que la rueda ya no esté conectada con el volante de inercia… pero dicho volante sigue girando. Es decir, está almacenando la energía cinética que le ha quitado antes al coche.

Luego, cuando queremos aprovechar la energía almacenada, volvemos a conectar el volante a la rueda mediante el embrague, de modo que la energía se transfiere del volante de inercia a la rueda (usando engranajes somos capaces de hacer que sea el volante de inercia, aunque gire más despacio, el que acelere a la rueda).

Objetivo conseguido.

¿Cuál es la pega de este sistema?

El problema es que para almacenar una cantidad grande de energía, hace falta que el volante de inercia gire muy rápido o que sea muy pesado (o ambas, claro). Pero ambos efectos aumentan también el efecto giroscópico, y sus efectos sobre la maniobrabilidad del coche pueden no ser despreciables, de modo que solamente algunas escuderías de Fórmula 1[6] montan un KERS como este (por lo visto, también algunos turismos comerciales lo llevan, o lo van a llevar, pero los turismos ni necesitan muchísimo incremento de velocidad ni van a 300 km/h).

Este cochecito no tiene volante de inercia (Wikipedia, A. Kniesel, cc-by-sa)

Un mecanismo parecido utilizan esos cochecitos de juguete que solían venir en los huevos Kinder: haces rodar el coche sobre una mesa, y parece que cuesta más trabajo del que debería. Es porque está acelerando a la vez un pequeño volante de inercia que lleva dentro. Cuando levantas el coche de la mesa, el volante sigue girando rápidamente, así que si ahora sueltas el coche suavemente sobre la mesa, sale impulsado hacia adelante.

 

 

  1. Fíjate en el detalle de que tanto las “vueltas” como los “radianes” son adimensionales, de modo que todas ellas son simplemente 1/s con algún factor de escala. []
  2. En realidad, lo que se conserva es el momento angular, pero de momento no nos hace falta. []
  3. El momento lineal, en realidad. []
  4. En cuerpos muy grandes, del tamaño de los planetas, es la gravedad la que mantiene unido al cuerpo, pero en nuestra piedra eso es despreciable. []
  5. Bueno… está muy simplificado, pero vaya, nos sirve. []
  6. Hasta hace unas semanas yo creía que ninguna… []

Sobre el autor:

J ( )

 

{ 9 } Comentarios

  1. Gravatar Mecha | 21/02/2012 at 01:43 | Permalink

    En F1 el unico KERS que funciona con volante de inercia es el de Williams (KERS mecanico), el resto guardan la energia en baterias y se sirven de un motor electrico para proporcionar el aumento de potencia.

  2. Gravatar Juan Carlos | 22/02/2012 at 06:13 | Permalink

    Gracias por esas dos explicaciones, muy didácticas!

    Consulta: ¿Esa piedra grande girando no le quita velocidad al coche? ¿O esa es la cusa de que (según anterior comentario) “solo” una escudería de F1 lo usa ?

    Saludos

  3. Gravatar J | 22/02/2012 at 07:40 | Permalink

    Juan Carlos,

    cuando está conectada a la rueda, claro que le quita velocidad. Esa es la gracia. Frenar el coche almacenando esa energía del frenado en algún sitio.

    Pero cuando está desconectada, no, no se la quita, porque lo que conserva es el momento angular, la velocidad de giro.

  4. Gravatar Juan Carlos | 22/02/2012 at 08:09 | Permalink

    Gracias, pero me refería mas bien al peso de la rueda (en tu ejemplo, esos 1000 kg).

    En F1 cada litro de combustible cuenta, no digamos ya el peso de la rueda (que no creo que sea tan pesada pero bueno!).

  5. Gravatar J | 23/02/2012 at 07:25 | Permalink

    Ah, entiendo. Hombre, imagino que sí afectará. Supongo que siempre puedes poner una más pequeña pero que gire más rápido, así que sospecho que es el efecto giroscópico el que molesta, no el peso.

    Sobre el efecto giroscópico: coged un disco duro de esos portátiles, cuando esté enchufado. Levantadlo y giradlo (suavemente, que si no, se rompe)… se nota el efecto giroscópico. Pues ahora imagina lo mismo, pero a 300km/h, en donde cada décima de segundo cuenta.

  6. Gravatar Alberto | 28/02/2012 at 01:49 | Permalink

    Hola

    Os leo mas o menos habitualmente aunque no suelo comentar pero hoy estais tratando una de mis grandes pasiones que es el automovilismo en general y la F1 en particular

    Simplemente a modo de apunte comentar que ademas de los KERS electricos y mediante volante de inercia tambien existen KERS hidraulicos, funcionan de la misma manera que los otros dispositivos, la unica diferencia es que “almacenan” y “entregan” la energia mediante mecanismos hidraulicos

    Actualmente en la F1 todos los equipos que utilizan KERS lo hacen del tipo “electrico” de hecho si nos ponemos pijoteros KERS es un termino incorrecto y deberia utilizarse el termino ERS (en algunos ambitos proponen EERS) puesto que la K es de Kinetic

    Y para terminar comentar un poco las razones por las que un F1 utiliza una ERS de tipo electrico

    Actualmente solo se utiliza el eje trasero para recuperar energia, en el futuro se pretende utilizar los dos ejes pero de momento eso esta asi por lo tanto un ERS mecanico ademas de los problemas giroscopicos comentados en el post adicionalmente tiene el problema de que forzosamente debe estar instalado cerca de la transmision y eso es un gran problema ya que haciendo terribles simplificaciones (al estilo del tamiz) un F1 debe tener la distribucion “desequilibrada” (aprox 55% delante 45% detras) y es mas facil añadir algo delante del centro de gravedad que detras, el tema del peso en este tipo de ERS no es tan importantes, los modelos de F1 solucionan ese problema haciendo que giren mas rapido (cuando Williams tenia KERS se comentaba que giraba a mas de 100000 rpm)

    Un ERS de tipo hidraulico ni siquiera puede considerarse en la F1, estan muy poco desarrollados y ademas los volumenes que ocuparian son totalmente inaceptables

    Por lo tanto practicamente se ven obligados a utilizar un ERS de tipo electrico que a pesar de ser mas pesados y almacenar la energia menos eficientemente que uno de tipo cinetico y los graves problemas de calentamiento (Red Bull se ha visto obligado a no utilizar el ERS durante muchas carreras por esto mismo) tienen la gran ventaja de poder ser colocados a voluntad del diseñador, lo que permite un reparto de pesos mucho mas racional

  7. Gravatar Muelle | 13/03/2012 at 03:11 | Permalink

    Otro comentario… Para evitar el efecto giroscopico se montan 2 discos girando en direcciones opuestas, y para evitar el rozamiento se sujetan los discos en una camara al vacio con soportes magneticos.

  8. Gravatar german durisch | 12/01/2014 at 04:31 | Permalink

    ¿Y si fuese una cuerda como la de un darda en lugar de un peso muerto con inercia? la energía se cargaría en la memoria de una banda de acero como un reloj o un autito a cuerda, creo que las ventajas serían enormes, menor peso energía que puede ser almacenada sin que se pare nunca (como la inercia de la piedra que termina por pararse)

  9. Gravatar J | 12/01/2014 at 08:53 | Permalink

    german durisch,

    no estoy seguro de entender completamente lo que propones.

    Si no te malinterpreto propones que en vez de guardar la energía en una piedra giratoria, la guardemos en un muelle, como por ejemplo los muelles circulares de los relojes de cuerda. No hay problema, puede hacerse, claro.

    Pero no termino de ver por que dices que “sin que se pare nunca”… se parará, claro, antes o después. Igual que el reloj si no le das cuerda. De hecho, la intuición me dice que para almacenar la cantidad de energía que necesita un KERS para ser útil necesitarías un muelle muy grande. Pero claro, la intuición no es muy fiable para estas cosas.

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